1、材料成型及控制工程專業綜合實驗指導書實驗一 焊條電弧焊工藝1、實驗目的與任務（1）比較不同類型焊條的焊接工藝性及對焊縫成形的影響。（2）觀察分析低碳鋼熔化焊接頭金相組織變化情況。（3）分析焊接接頭組織變化對機械性能的影響。2、實驗原理焊條電弧焊采用的焊條藥皮類型有酸性、堿性、纖維素型和金紅石型等。不同藥皮的焊條在焊接時表現出不同的工藝性。比如，酸性藥皮中含有較多的穩弧物質和脫渣物質，易于引弧，電弧穩定，飛濺小，脫渣能力強，焊縫成形美觀。但焊縫中氫的含量不易控制，焊縫金屬的沖擊韌性一般。堿性藥皮焊條穩弧物質較少，不易引弧，電弧不穩，易于斷弧，飛濺較大，脫渣能力差，焊縫成形也稍差。但焊縫金屬中氫含

2、量低，屬低氫型焊縫，沖擊韌性高。低碳鋼電弧焊焊接接頭包括焊縫金屬、熔合區（熔合線）和熱影響區三個主要區域。其中，焊縫金屬為液態熔池結晶而成，位于接頭斷面的中心，其顯微組織是典型的柱狀晶。熔合區為半熔化的母材結晶和冷卻而成，位于焊縫金屬兩側，與之緊密相連，焊縫金屬的柱狀晶“鑲嵌”于此。熱影響區是母材受到焊接熱輸入影響產生了組織形態變化的固態區，緊鄰熔合區，向著遠離焊縫中心的方向分別是過熱區、正火區、部分相變區和再結晶區。過熱區是母材在焊接時溫度處于奧氏體區的高溫區，奧氏體嚴重長大，冷卻后得到的組織為粗大的鐵素體+珠光體等軸晶，其間夾雜著針狀的魏氏組織；正火區是母材在焊接時溫度處于奧氏體均勻化的溫

3、度區間，在空冷條件下發生相變，相當于進行了一次正火熱處理，為均勻細小的鐵素體+珠光體等軸晶；部分相變區是母材在焊接時溫度處于奧氏體-鐵素體兩相區的溫度區間，一部分鐵素體發生了奧氏體相變，冷卻后得到組織不均勻的鐵素體+珠光體組織；再結晶區是母材在焊接時溫度處于再結晶溫度區，軋制的帶狀組織發生了回復和再結晶，成為均勻細小的等軸晶。由于接頭各部分組織形態的不同，其力學性能也存在差異，從焊縫中心向兩側測量其硬度，硬度曲線將出現一個峰值，峰值位置位于正火區，說明該區域的力學性能指標較高。3、實驗儀器、設備及材料儀器、設備及工具：火焰切割機、刨床、交、直流電弧焊機、電火花線切割機、光學金相顯微鏡、金相試樣

4、拋光機、吹風機、顯微硬度計。材料：810mm厚Q235鋼板、直徑4.0mm的J422和J507焊條、4%硝酸酒精溶液、無水酒精、Cr2O3粉末、水、05號金相砂紙、呢子布。4、實驗步驟（1）取厚810mm ，寬50mm的Q235鋼帶，用火焰切割機切割成200×50mm的板條，簡單清理熔渣和氧化皮；（2）用刨床在板條中心加工出縱向V型槽，代替V型坡口，開口角60°，深度68mm；（3）分別選用直徑4.0mm的J422焊條和J507焊條，采取如表1所示的焊接工藝在V型槽處進行連續焊接，觀察并記錄電弧穩定性和飛濺情況，清理藥皮；表1 焊接工藝參數焊條牌號電流極性電流/A電壓/V焊

5、接速度/mm/minJ422交流/直流反接17024150J507直流反接15022150（4）觀察焊縫成形波紋，測量焊縫成形參數（熔寬和余高），分析產生區別的原因；（5）用電火花線切割機橫向切取金相試樣，將引弧端和收弧端各25mm舍棄，余下部分切成50×10mm長條；（6）磨制金相試樣：依次采用05號金相砂紙打磨，用Cr2O3粉與水的混合物作為拋光劑拋光，用4%硝酸酒精溶液浸蝕，用無水酒精沖洗，用吹風機吹干；（7）在光學金相顯微鏡下觀察接頭各區域的顯微組織形貌，繪制其示意圖，標注于溫度-組織坐標系中；（8）用顯微硬度計從焊縫中心開始，每個1.5mm測量一個硬度值，記錄在距離-硬度坐

6、標系中；分析硬度變化的規律及其原因。5、預期結果得出不同類型焊條工藝性、焊縫成形的區別及其原因；手工繪制焊接接頭各區域的距離-溫度-組織圖；繪制距離-硬度曲線，分析硬度變化的原因。實驗二 焊縫金屬中擴散氫的測定1、實驗目的與任務（1）了解手工電弧焊時影響焊縫中擴散氫含量的因素。（2）掌握甘油法測定擴散氫含量的方法。2、實驗原理氫對焊接接頭的影響極大。氫不僅能在焊縫中生成氣孔，而且是裂紋產生的主要原因之一。所致裂紋常有延遲性，往往使焊件在工作一段時間后開裂，因此其危險性更大。氫也引起金屬的微裂等，雖然這些微觀缺陷不致于導致焊件的破壞，但卻能明顯地降低金屬的強度、屈服極限、沖擊韌性、延伸率等，尤其

7、對疲勞強度有較大的影響。因此控制焊縫中的氫含量對于提高焊縫質量有著重要的意義。雖然焊縫的氫對焊縫的質量影響較大，但擴散氫的含量卻很少（每100克金屬中最多含幾十毫升），通常采用氣體液法把擴散氫收集到一個密閉的集氣管內測量，由金屬表面擴散逸出的微小氫氣必須通過收集介質浮升到集氣管頂部，為使氫氣泡通過介質時不至于對測量的氫有影響，必須要求收集的介質具有一定的物理和化學性能，要求是：對氫氣的溶解度較小，具有低的蒸汽壓力，化學穩定性好，對人體無害和液體的低黏度。目前試驗用的介質有甘油、石蠟油、酒精、水銀以及硅油等。采用這種方法測得的擴散氫體積（mL）首先要換成溫度為0、標準大氣壓（760mm汞柱）下的

8、氫的體積，再算出100g熔敷金屬中析出的擴散氫含量，其計算公式如下： 式中，H擴每100g熔敷金屬中擴散氫的含量，mL。V集氣管中收集的擴散氫體積，mL。G0試樣原始質量，g。G1試樣焊后質量，g。P試驗環境大氣壓，毫米汞柱。P0標準大氣壓，760毫米汞柱。T試驗環境溫度，K。T0標準大氣溫度，273K。3、實驗儀器、設備及材料儀器設備及工具：火焰切割機、砂輪機、干燥箱、交流弧焊機、直流弧焊機、氣體收集器、水浴鍋、電子天平、吹風機、鋼絲刷、鋼字頭、焊接夾具、小錘、水槽、干布。材料：810mmQ235鋼板、氧氣、乙炔氣、砂布、無水酒精、甘油、4.0mmJ422焊條、4.0mmJ507焊條、乙醚。

9、4、實驗步驟（1）將810mmQ235鋼板切割成50×20mm試件，用砂輪機清理切割熔渣和氧化皮，用干燥箱在250±10加熱作1h去氫處理。取出清理表面，用砂布去除氧化物，用乙醇去水，乙醚去油，吹干冷卻，把每個試件打印標號，然后用天平稱出每個試件的重量G0。（2）將試件放在夾具上進行焊接。分別選用直徑4.0mm的J422焊條和J507焊條，電流170A，弧長4mm，焊速150mm/min。不擺動。（3）停焊后5s內立即將試件投入020的水中急冷并擺動試件，避免局部溫度過高，10s后取出。（4）試件從水中取出后，迅速消除焊渣及其他臟物，把試件擦干并用酒精去水，乙醚去油。（5）

10、將去水去油的試件用干凈的棉紗擦凈并用吹風機的冷風吹干，把試件立即放入氣體收集器內。（6）試件在45恒溫下放置24h，記錄恒溫集氣箱的溫度和實驗現場的氣壓P。把試件從收集器中取出，清洗吹干，稱出重量G1,根據上述公式計算出擴散氫含量。（7）在不同的工藝條件下進行焊接試驗，以了解工藝因素對擴散氫的影響。5、預期結果得到不同焊條和不同電流種類的條件下，熔敷金屬中擴散氫含量的結果，填寫表2。進行對比分析。得出影響規律。表2 不同焊接材料及工藝條件下的擴散氫測量值試驗次數J422J507未烘焙250保溫2h未烘焙350保溫2h交流直流交流直流123平均值實驗三 鎢極氬弧焊工藝1、實驗目的與任務（1）熟悉

11、TIG焊設備的組成，掌握手工TIG焊的操作要領。（2）了解不同電流極性下鋁合金焊接時電弧的陰極霧化作用。2、實驗原理TIG焊是在惰性氣體的保護下，利用鎢極和工件之間產生的焊接電弧熔化母材及焊絲的一種焊接方法。焊接時，惰性氣體從焊槍的噴嘴中噴出，把電弧周圍一定范圍的空氣排出焊接區，避免熔池、電弧和鎢極收到空氣的侵蝕。填絲的TIG焊熔滴過渡是連橋過渡，沒有飛濺，焊縫成形美觀均勻。TIG焊可以采用直流正極性或交流，前者用于焊接鋼、鈦等，后者用來焊接鋁、鎂等合金。因為鋁、鎂等合金極易生成致密的氧化膜，需要利用鎢極電弧的陰極霧化作用清理氧化膜，同時還要保護鎢極盡量少地受到燒損，所以需要用交流焊接。3、實

12、驗儀器、設備及材料儀器設備及工具：TIG焊機，鋼絲刷。材料：6mm鋁合金板、鎢極、氬氣。4、實驗步驟（1）制備試板：將6mm鋁合金板剪切成30×60mm的試板。（2）磨制鎢極，使其前端呈60°錐角，預留直徑2mm平臺。（3）調整焊機，使其電流極性、電流值和氬氣流量合適。（4）用鋼絲刷清理鋁板表面，迅速引弧焊接，觀察不同電流極性下陰極霧化作用。5、預期結果描述不同電流極性時陰極霧化現象，分析原因。實驗四 不銹鋼焊接接頭的晶間腐蝕1、實驗目的與任務（1）觀察和分析不銹鋼焊接接頭的顯微組織。（2）了解不銹鋼焊接接頭產生晶間腐蝕的機理及晶間腐蝕區顯微組織特征。2、實驗原理晶間腐蝕是

13、沿著晶界發生的腐蝕現象，多產生于奧氏體不銹鋼中。晶間腐蝕的產生源于晶間貧鉻現象。不銹鋼焊接時，熱影響區中溫度在450850停留足夠的時間，碳原子會在晶界處與鉻原子化合成鉻的碳化物，如Cr7C3、Cr23C6等。由于Cr擴散速度較慢，來不及補充，造成晶間貧鉻，導致腐蝕。產生晶間腐蝕的條件有兩方面：一是鋼中有較高的含碳量（0.03%以上），二是焊接時熱影響區在敏化溫度區間停留足夠的時間。所以，預防晶間腐蝕可以從材料角度和工藝角度綜合考慮。一方面控制鋼中的碳含量，或者添加穩定化元素，比如Ti、Nb等，這些元素優先與碳形成碳化物，穩定了碳，就不會消耗Cr，而保持不銹鋼的耐蝕性。另一方面是通過小電流快速

14、焊的方法控制熱輸入，減少鋼在敏化溫度區間的停留時間，避免Cr與C的化合。發生晶間腐蝕的不銹鋼在顯微鏡下顯示較寬的晶界，晶界邊緣粗糙。宏觀形貌顯示晶界呈網狀。3、實驗儀器、設備及材料儀器設備及工具：等離子弧切割機、砂輪機、直流弧焊機、箱式電阻爐、砂輪切割機、試樣拋光機、吹風機、光學金相顯微鏡。材料：610mm不銹鋼板、3.2mmA302焊條、砂布、金相砂紙、Cr2O3拋光粉、硝酸、鹽酸、無水酒精、吸水紙。4、實驗步驟（1）用等離子切割機將610mm的0Cr18Ni9鋼板切割成100×20mm的試板，用砂輪機打磨切口的熔渣和氧化皮，用砂布打磨待焊表面，露出鋼板光澤。（2）調整焊接電流為1

15、00A，用直徑3.2mm的A302焊條在試板上堆焊，焊接速度在100mm/min，電弧長度在3mm。（3）徹底清理藥皮，用砂輪切割機將試件切割成20×10mm的試樣，用砂布打磨斷面，去除毛刺和氧化皮。（4）將箱式電阻爐升溫至800，將試樣放入爐中，待重新升溫至800，保溫5min后斷電，至爐溫400時取出空冷。（5）用15號金相砂紙磨制，用拋光機拋光，用王水腐蝕，吹干。（6）用光學金相顯微鏡觀察熱影響區。5、預期結果拍下晶間腐蝕的顯微形貌照片。描述晶間腐蝕的特征。實驗五 材料的焊接性1、實驗目的與任務（1）分析材料的焊接性（低碳鋼、中碳鋼和低合金鋼任選其一）。（2）掌握搭接接頭焊接裂

16、紋試驗方法。2、實驗原理依據GB/T4675.2搭接接頭CTS焊接裂紋試驗方法和ISO9018:2003金屬材料焊縫的破壞性試驗十字街頭和搭接接頭的拉伸試驗，用于碳鋼、低合金鋼冷裂紋敏感性試驗。其中的CTS為“可控熱拘束”的英文縮寫。基本原理如圖1所示：制備一個帶有拘束焊縫的搭接接頭，從試驗搭接焊縫上截取試件，將橫斷面磨制、拋光、腐蝕，用金相顯微鏡觀察斷面裂紋，并測量裂紋長度，如圖2所示。以評定材料冷裂紋敏感性。 圖1 搭接接頭CST試驗焊縫分布示意圖 圖2 試樣截取及裂紋測量方法3、實驗儀器、設備及材料（1）儀器、設備及工具：火焰切割機、砂輪機、鉆床、弧焊機、電火花線切割機、金相試樣拋光機、

17、吹風機、光學金相顯微鏡。（2）材料：10mm低合金鋼板、M12螺栓組、直徑4mm的J506焊條、1-5號金相砂紙、Cr2O3拋光粉、硝酸、無水酒精、吸水紙。4、實驗步驟（1）用火焰切割機將10mm低合金鋼板切割成75×75mm的試板和175×100mm的底板，用砂輪機磨去切口處的毛刺、熔渣。（2）在試板上劃鉆孔位置，將試板和底板定位焊，用鉆床在兩塊板上鉆出直徑12.5-13.5mm的通孔。（3）用M12螺栓組將試板和底板連接牢固。（4）焊接拘束焊縫：焊條為直徑4mm的J506焊條，電流170A，電壓24V（弧長4mm），焊接速度150mm/min，每個焊縫焊接兩道。（5）待

18、拘束焊縫完全冷卻至室溫，焊接試驗焊縫：焊條為直徑4mm的J506焊條，電流170A，電壓24V（弧長4mm），焊接速度150mm/min，每個焊縫焊接一道。（6）切割：試驗焊縫完全冷卻至室溫，放置48h后，用電火花線切割機沿著圖2所示位置將試件切開，每條焊縫取3個試樣。（7）制樣：將試樣用金相砂紙打磨，用試樣拋光機拋光，用4%硝酸酒精腐蝕，用吹風機吹干。（8）將金相試樣盡快用金相顯微鏡觀察裂紋情況，用顯微鏡上的標尺測量斷面上的焊縫總程度，6個試樣裂紋長度取平均值，手工繪制裂紋出現的部位示意圖。5、預期結果得出裂紋平均長度，說明裂紋出現的部位及形狀、分布情況。實驗六 焊接變形1、實驗目的與任務（

19、1）了解不同焊接接頭焊接變形的形式和特點。（2）了解焊接方法和焊接工藝對焊接變形大小的影響。（3）掌握測量接頭變形量的方法。2、實驗原理當焊接收縮應力超過了材料的屈服強度就會導致焊件（結構）變形。焊接變形是焊接應力釋放的一種表現。焊縫加熱時膨脹及焊后的冷卻都是連續的且是局部進行的。焊接變形分為瞬時變形和參與變形。瞬時變形在焊接過程中出現，在焊接結束后消除，對焊接制造過程產生影響。焊接參與變形是焊接結束后永久殘留在結構中的變形，對結構質量產生影響。不同結構（接頭）形式、不同板厚、不同的焊接方法和工藝參數對焊接變形影響很大。導致焊接變形的形式、大小均不相同。比如，平板對接接頭最容易發生的變形是尺寸

20、縮短、角變形和彎曲變形；T形接頭最容易產生角變形好彎曲變形。薄板接頭除了上述變形，還會產生波浪翹曲變形。焊接熱輸入越大，焊接時的熱膨脹越大，隨之焊接收縮變形也越大。電渣焊、埋弧焊、熔化極氣體保護焊、焊條電弧焊等焊接方法，其熱輸入較大，焊接的熱膨脹與冷收縮較大，導致的變形也較大。等離子弧焊、激光焊、電子束焊等焊接方法，熱源能量集中，焊接速度快，熱輸入小，變形也較小，甚至可以忽略不計。拘束度對焊接變形也有很大影響。拘束來自結構本身，也可能來自工裝卡具。拘束越大，變形量越小，但是殘余應力值增加，會提高結構在使用過程中產生變形乃至破壞的風險。各種變形的大小通過測量獲得數據。可以比較不同接頭形式、板厚、焊接方法、